رنگ خورشیدی: 8 مرحله

2024 نویسنده: John Day | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2024-01-30 08:55

یک رنگ خاص که از نور خورشید برق مستقیم تولید می کند.

فتوولتائیک های آلی (OPV) پتانسیل عظیمی به عنوان پوشش های ارزان قیمت دارند که می توانند مستقیماً از نور خورشید برق تولید کنند. این مواد ترکیبی پلیمری را می توان با سرعت بالا در مناطق وسیع با استفاده از تکنیک های پردازش رول به رول چاپ کرد و دید جذابی از پوشش هر سقف و سایر سطوح ساختمان مناسب با فتوولتائیک های کم هزینه ایجاد کرد.

مرحله 1: سنتز NP ها از طریق فرایند مینی امولسیون

روش ساخت نانوذرات با استفاده از انرژی فراصوت که از طریق شاخ اولتراسوند وارد مخلوط واکنش می شود ، یک مینیولولسیون تولید می کند (شکل بالا). شاخ سونوگرافی با اعمال نیروی برشی بالا ، تشکیل قطرات زیر میکرومتری را ممکن می سازد. یک فاز مایع حاوی سورفاکتانت آبی (قطبی) با یک فاز آلی از پلیمر حل شده در کلروفرم (غیر قطبی) ترکیب می شود تا یک ماکروامولسیون تولید کند ، سپس برای ایجاد یک مینولولسیون اولتراسونیک می شود. قطرات پلیمر کلروفرم فاز پراکنده را با یک فاز پیوسته آبی تشکیل می دهند. این یک روش متداول برای تولید نانوذرات پلیمری است که فاز پراکنده آن مونومر مایع بود.

بلافاصله پس از کوچک شدن امولسیون ، حلال از طریق تبخیر از قطرات پراکنده خارج شده و نانوذرات پلیمری باقی می ماند. اندازه نهایی نانوذرات را می توان با تغییر غلظت اولیه سورفاکتانت در فاز آبی تغییر داد.

مرحله 2: سنتز NP ها از طریق روشهای بارندگی

به عنوان جایگزینی برای روش مینی امولسیون ، تکنیک های بارش راهی ساده برای تولید نانوذرات پلیمری نیمه رسانا از طریق تزریق محلول ماده فعال در حلال دوم با حلالیت ضعیف ارائه می دهد.

به این ترتیب ، سنتز سریع است ، از سورفاکتانت استفاده نمی کند ، در مرحله سنتز نانوذرات نیازی به گرم کردن (و بنابراین ، بازپخت پیش ساخته نانوذرات) ندارد و می تواند به آسانی برای سنتز مواد در مقیاس بزرگ افزایش یابد. به طور کلی ، پراکندگی ها پایداری کمتری دارند و هنگام ایستادن به دلیل بارندگی ترجیحی ذرات با ترکیب متفاوت ، تغییر ترکیب را نشان می دهند. با این حال ، روش بارش فرصتی را برای گنجاندن سنتز نانوذرات به عنوان بخشی از یک فرآیند چاپ فعال فراهم می کند و ذرات در صورت لزوم تولید می شوند. علاوه بر این ، هیرش و همکاران نشان داده اند که با جابجایی پی در پی حلال ، می توان ذرات معکوس پوسته معکوس را در جایی سنتز کرد که آرایش ساختاری برخلاف انرژی سطحی ذاتی مواد باشد.

مرحله 3: سیستم مواد PFB: F8BT نانوذرات فتوولتائیک آلی (NPOPV)

اندازه گیری های اولیه بازده تبدیل توان PFB: دستگاه های نانوذره F8BT تحت نور خورشیدی دستگاه هایی با Jsc = 1 × 10 −5 A cm^-2 و Voc = 1.38 V گزارش کرده اند که (با فرض بهترین برآورد ضریب پرکن غیرپوشیده (FF) 0.28 از دستگاههای ترکیبی فله) مربوط به PCE 0.004 است.

تنها اندازه گیری های دیگر فتوولتائیک دستگاه های نانوذره PFB: F8BT ، نمودارهای بازده کوانتومی خارجی (EQE) بودند. دستگاه های فتوولتائیک چند لایه ساخته شده از نانوذرات PFB: F8BT ، که بالاترین بازده تبدیل توان مشاهده شده برای این مواد نانوذرات پلی فلورن را نشان می دهد.

این افزایش عملکرد از طریق کنترل انرژی سطحی اجزای فردی در نانوذرات پلیمری و پردازش پس از رسوب گذاری لایه های نانوذرات پلیمری حاصل شد. به طور قابل توجهی ، این کار نشان داد که دستگاههای ساخته شده از نانوذرات فتوولتائیک آلی (NPOPV) کارآمدتر از دستگاههای ترکیبی استاندارد هستند (شکل بعد).

مرحله 4: شکل

مقایسه ویژگی های الکتریکی دستگاههای ناهمگن و ناهمگن (a) تغییر چگالی جریان در مقابل ولتاژ برای PFB پنج لایه: F8BT (پلی (9 ، 9-دیوکتیلفلورن-co-N ، N'-bis (4-بوتیل فنیل) -N ، N'-دیفنیل -1 ، 4-فنیلن دی آمین) (PFB) ؛ پلی (9 ، 9-دیوکتیلفلورن-کو بنزوتیادیازول (F8BT)) نانوذره ای (دایره های پر شده) و یک دستگاه هترروکشن فله (حلقه های باز) دستگاه ؛ (ب) تغییر کارایی کوانتومی خارجی (EQE) در مقابل طول موج برای یک PFB پنج لایه: نانوذرات F8BT (دایره های پر) و یک دستگاه ناهمگن (حلقه های باز). همچنین نمودار EQE برای دستگاه فیلم نانوذرات نشان داده شده است.

تأثیر کاتدهای Ca و Al (دو مورد از رایج ترین مواد الکترود) در دستگاههای OPV بر اساس پراکندگی نانوذرات پلیمری آب (NP) با ترکیب پلی فلوئورن. آنها نشان دادند که دستگاه های PFB: F8BT NPOPV با کاتد Al و Ca/Al رفتار کیفی بسیار مشابهی را از خود نشان می دهند ، با حداکثر PCE 0.4 ~ برای Al و 0.8 ~ برای Ca/Al و ضخامت بهینه متمایز برای دستگاه های NP (شکل بعدی). ضخامت مطلوب نتیجه اثرات فیزیکی رقابتی ترمیم و پر کردن عیوب فیلم های نازک [32 ، 33] و توسعه ترک خوردگی تنش در فیلم های ضخیم است.

ضخامت مطلوب لایه در این دستگاه ها مربوط به ضخامت ترک خوردگی بحرانی (CCT) است که در بالای آن ترک خوردگی تنشی رخ می دهد و در نتیجه مقاومت شنت کم و عملکرد دستگاه کاهش می یابد.

مرحله 5: شکل

تغییر کارایی تبدیل قدرت (PCE) با تعداد لایه های رسوب شده برای PFB: دستگاههای نانوذره ای F8BT فتوولتائیک آلی (NPOPV) ساخته شده با کاتد Al (دایره های پر شده) و کاتد Ca/Al (دایره های باز). برای هدایت چشم خطوط نقطه چین و خط کشی اضافه شده است. یک خطای متوسط براساس واریانس حداقل ده دستگاه برای هر تعداد لایه تعیین شده است.

بنابراین ، دستگاه های F8BT تفکیک اگزیتون را نسبت به ساختار BHJ مربوطه افزایش می دهد. علاوه بر این ، استفاده از کاتد Ca/Al منجر به ایجاد حالتهای شکاف بین سطحی می شود (شکل بعد) ، که ترکیب مجدد بارهای تولید شده توسط PFB را در این دستگاهها کاهش می دهد و ولتاژ مدار باز را به سطح بدست آمده برای یک دستگاه BHJ بهینه باز می گرداند. ، در نتیجه PCE به 1٪ نزدیک می شود.

مرحله 6: شکل

نمودارهای سطح انرژی برای PFB: نانوذرات F8BT در حضور کلسیم. الف) کلسیم از طریق سطح نانوذرات پخش می شود. (ب) کلسیم پوسته غنی از PFB را دوپ می کند و حالت شکاف ایجاد می کند. انتقال الکترون از حالتهای پر شده کلسیم ایجاد می شود. (ج) یک اگزیتون تولید شده در PFB به مواد PFB دوپ شده (PFB*) نزدیک می شود و یک سوراخ به حالت شکاف پر شده منتقل می شود و یک الکترون پرانرژی تر تولید می کند. (د) انتقال الکترون از یک اگزیتون تولید شده در F8BT به انرژی با PFB پایین تر مداری مولکولی بدون اشغال (LUMO) یا PFB* LUMO با انرژی کمتر پر شده مانع می شود.

دستگاههای NP-OPV ساخته شده از نانوذرات P3HT: PCBM پراکنده در آب که بازده تبدیل توان (PCEs) را 1.30٪ و حداکثر بازده کوانتومی خارجی (EQE) را 35٪ نشان می دهند. با این حال ، برخلاف سیستم PFB: F8BT NPOPV ، دستگاه های P3HT: PCBM NPOPV نسبت به همتایان انبوه هتروکانسیون خود کارآیی کمتری داشتند. میکروسکوپ اشعه ایکس انتقال (STXM) نشان داد که لایه فعال مورفولوژی NP بسیار ساختار یافته ای دارد و شامل نانوذرات هسته ای پوسته ای است که از یک هسته PCBM نسبتاً خالص و یک پوسته PCBM P3HT: مخلوط (شکل بعدی) تشکیل شده است. با این حال ، پس از پخت ، این دستگاه های NPOPV تحت جداسازی فاز گسترده و کاهش مربوطه در عملکرد دستگاه قرار می گیرند. در واقع ، این کار توضیحی در مورد کارآیی کمتر دستگاههای P3HT پخته: PCBM OPV ارائه می دهد ، زیرا پردازش حرارتی فیلم NP منجر به یک ساختار "بیش از حد آنیل شده" با جداسازی فاز ناخالص می شود ، بنابراین تولید و حمل بار مختل می شود.

مرحله 7: خلاصه عملکرد NPOPV

خلاصه ای از عملکرد دستگاه های NPOPV گزارش شده در چند سال گذشته در ارائه شده است

جدول. از جدول مشخص است که عملکرد دستگاه های NPOPV با افزایش سه مرتبه به میزان چشمگیری افزایش یافته است.

مرحله 8: نتیجه گیری و چشم انداز آینده

توسعه اخیر پوشش های NPOPV مبتنی بر آب نشان دهنده تغییر پارادایم در توسعه دستگاه های OPV کم هزینه است. این روش به طور همزمان کنترل مورفولوژی را فراهم می کند و نیاز به حلالهای فرار قابل اشتعال در تولید دستگاه را حذف می کند. دو چالش کلیدی در تحقیقات کنونی دستگاه OPV. در واقع ، توسعه رنگ خورشیدی مبتنی بر آب ، چشم انداز جذابی را برای چاپ دستگاه های OPV با مساحت بزرگ با استفاده از هر گونه دستگاه چاپ موجود ارائه می دهد. علاوه بر این ، به طور فزاینده ای به رسمیت شناخته شده است که توسعه یک سیستم OPV قابل چاپ مبتنی بر آب بسیار سودمند خواهد بود و سیستم های مواد فعلی مبتنی بر حلال های کلر برای تولید در مقیاس تجاری مناسب نیستند. کار توصیف شده در این بررسی نشان می دهد که روش جدید NPOPV به طور کلی قابل اجرا است و PCE های دستگاه NPOPV می توانند با دستگاه های ساخته شده از حلالهای آلی قابل رقابت باشند. با این حال ، این مطالعات همچنین نشان می دهد که از نظر مواد ، NP ها کاملاً متفاوت از مخلوط های پلیمری که از حلال های آلی به هم ریخته اند رفتار می کنند. به طور موثر ، NP ها یک سیستم مواد کاملاً جدید هستند و به همین دلیل ، قوانین قدیمی برای ساخت دستگاه OPV که برای دستگاه های OPV مبتنی بر ارگانیک آموخته شده است دیگر کاربرد ندارد. در مورد NPOPV های مبتنی بر مخلوط های پلی فلورن ، مورفولوژی NP منجر به دو برابر شدن کارایی دستگاه می شود. با این حال ، برای ترکیبات پلیمر: فولرن (به عنوان مثال ، P3HT: PCBM و P3HT: ICBA) ، شکل مورفولوژی در فیلمهای NP بسیار پیچیده است و عوامل دیگر (مانند انتشار هسته) می توانند غالب شوند ، و در نتیجه ساختارها و کارایی دستگاهها بهینه نشده است. چشم انداز آینده این مواد بسیار امیدوار کننده است ، زیرا بازده دستگاه از 0.004٪ به 4٪ در کمتر از پنج سال افزایش یافته است. مرحله بعدی توسعه شامل درک مکانیسم هایی است که ساختار NP و مورفولوژی فیلم NP و نحوه کنترل و بهینه سازی آنها را تعیین می کند. تا به امروز ، توانایی کنترل مورفولوژی لایه های فعال OPV در مقیاس نانو هنوز مشخص نشده است. با این حال ، کارهای اخیر نشان می دهد که استفاده از مواد NP ممکن است باعث دستیابی به این هدف شود.